JP2003519370A - Method and system for optical distance and angle measurement - Google Patents

Method and system for optical distance and angle measurement

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JP2003519370A
JP2003519370A JP2001549986A JP2001549986A JP2003519370A JP 2003519370 A JP2003519370 A JP 2003519370A JP 2001549986 A JP2001549986 A JP 2001549986A JP 2001549986 A JP2001549986 A JP 2001549986A JP 2003519370 A JP2003519370 A JP 2003519370A
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Japan
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sensor
shaft
coupler
facet
optical
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Application number
JP2001549986A
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Japanese (ja)
Inventor
マルティネス,スティーヴン・デイヴィッド
ブレヴィンズ,ウィリアム・マーク
カブラー,ジョン・ラッセル
レイクス,ロニー・ウェイン
シェス,ジェフリー・ノーマン
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Honeywell International Inc
Original Assignee
Honeywell International Inc
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

A contactless precision, optical distance and angle measurement method and system optically measuring the position of a moveable object, the bending of the object, the torque applied to the object and the object's rotational velocity. The present invention includes a plurality of optical sensors placed around and adjacent to the moveable object which transmit optical signals to a surface of the object and receives the optic signals when predefined marker means are sensed. The received optic signals are then processed by non-linear estimation techniques known to those of skill in the art to obtain the desired information.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 (発明の分野) 本発明は、概してセンサの分野に関し、より詳細には、移動可能な物体の空間
的距離、速度および相対角度変位を決定するための光ファイバ・センサ(fib
er optic sensor)の使用法に関する。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to the field of sensors, and more particularly to fiber optic sensors (fib) for determining spatial distance, velocity and relative angular displacement of a movable object.
er optic sensor) usage.

【0002】 (発明の背景) 通商および防衛産業では、ユーザは、製品寿命を高め、操作および保守を簡単
化し、安全性および信頼性を改善するような統合性を提供する技術統合を要求し
ている。しかしながら、提供される技術はまた、確実で定量的なコスト/利益分
析を満足させるものでなければならない。
BACKGROUND OF THE INVENTION In the commerce and defense industry, users demand technology integration that provides integration such as increased product life, simplified operation and maintenance, and improved safety and reliability. There is. However, the technology provided must also satisfy a reliable and quantitative cost / benefit analysis.

【0003】 光ファイバ・センサは相対位置の測定のために数十年間使用されているが、本
発明の出現まで、それらの効用は自己較正精密絶対位置測定システムに拡張され
てはいなかった。光ファイバ・センサを使用する従来のシステムは相対測定能力
しか提供しないが、それらは通常、測定される表面の角度に敏感なので使用する
ごとに繰り返し較正を必要とする。実際、精密絶対位置測定システムは光ファイ
バ・センサでは達成できないであろうと考えている当業者もいる。
Although fiber optic sensors have been used for decades for relative position measurements, their utility has not been extended to self-calibrating precision absolute position measurement systems until the advent of the present invention. While conventional systems that use fiber optic sensors provide only relative measurement capability, they are typically sensitive to the angle of the surface being measured and therefore require repeated calibration with each use. In fact, some skilled in the art believe that precision absolute position measurement systems may not be achievable with fiber optic sensors.

【0004】 たいていのセンサ予想システムは統計的確率を決定するために法外な量の処理
能力を必要とするか、あるいは現在のセンサ技術が存在しない物理特性の精密測
定を必要とする。例えば(航空機エンジンや同様の車両エンジンに見られるよう
な)移動可能なシャフトの予想測定では、安全な航空機動作のためにシャフトの
動作特性を知らなければならない。必要とされるいくつかの動作特性としては、
シャフト横方向変位、シャフト・ミスアライメント、シャフト速度およびトルク
のモニタリング、その他現在の非接触センサ技術ではとらえることが困難または
不可能なすべての特性がある。これらの特性は、タービン発電機、発電所、船舶
、潜水艦および土工機械などの用途において測定される必要があることがある。
Most sensor prediction systems require either an exorbitant amount of processing power to determine statistical probabilities, or require precise measurements of physical properties for which current sensor technology does not exist. For example, predictive measurements of movable shafts (as found in aircraft engines and similar vehicle engines) must know the operating characteristics of the shaft for safe aircraft operation. Some of the required operating characteristics are:
Shaft lateral displacement, shaft misalignment, shaft speed and torque monitoring, and all other characteristics that are difficult or impossible to capture with current non-contact sensor technology. These properties may need to be measured in applications such as turbine generators, power plants, ships, submarines and earthmoving machinery.

【0005】 ドライブ・シャフト・アライメントを測定する必要性はしばらく存在していた
。フレキシブルな構造またはかなり堅い(剛性の高い)構造では、移動可能なシ
ャフト(例えば、回転するもの)がアライメントを外れて移動したり、その特定
の応力点を超えて曲がったり、あるいは設定軸を外れて移動し、その結果構造、
エンジンまたはシステムが損傷することがある。例えば航空機の安全性は、トル
クが何らかのエンジン構成要素に伝達される際のドライブの動作特性を決定する
ことに依存する部分がある。さらに、シャフトの回転速度およびトルクだけでな
く、シャフトの姿勢および曲げ特性を非侵襲的に測定する必要がある。シャフト
姿勢または曲げからの移動を0.01インチ(すなわち10ミル)未満まで測定
する必要があり、さらにRPMおよびトルクをモニタリングする必要がある。
The need to measure drive shaft alignment has existed for some time. Flexible or fairly stiff structures allow movable shafts (eg, rotating ones) to move out of alignment, bend beyond their specific stress points, or off set axes. Move, and consequently the structure,
The engine or system may be damaged. For example, aircraft safety depends in part on determining the operating characteristics of the drive as torque is transmitted to some engine components. Furthermore, not only the rotational speed and torque of the shaft, but also the posture and bending characteristics of the shaft need to be measured non-invasively. Movement from shaft attitude or bend must be measured to less than 0.01 inch (ie 10 mils) and RPM and torque must be monitored.

【0006】 シャフトを測定しモニタリングするための2つの公知の従来技術的手法が不成
功に終わっている。例えば、Lucent Technologies社は渦電
流センサを使用することを試みているが、渦電流感知に基づく測定では、この用
途または同様の用途に必要とされる確度、環境公差、または頑強性(robus
tness)が得られない。他社はトルク・カプラに埋め込まれた磁気スラグ(
slug)を必要とする設計概念を試みている。しかしながら、この方法も同様
に不成功に終わった。
Two known prior art techniques for measuring and monitoring shafts have been unsuccessful. For example, Lucent Technologies has attempted to use an eddy current sensor, but measurements based on eddy current sensing require the accuracy, environmental tolerances, or robustness required for this or similar application.
tness) cannot be obtained. Other companies have magnetic slugs embedded in torque couplers (
We are trying a design concept that requires slug). However, this method was equally unsuccessful.

【0007】 したがって、例えば航空機などのエンジンの限られた空間内の大きいドライブ
・シャフトまたはトルク・カプラの移動を光学的に測定する非侵襲的システムが
必要である。センサ・システムはエンジン中への空気流を妨害してはならず、(
例えば高振動、衝撃および高温条件などの)様々な環境条件に適応しなければな
らない。好ましくは、センサはまた、空間制約のためにドライブ・シャフトまた
はカプラ・アセンブリの面の表面から150ミルと500ミルの間に配置しなけ
ればならない。センサ・システムはまた、較正なしにシャフトの移動の絶対測定
をとらえることができなければならない。さらに、センサ・システムによって得
られた測定データは、シャフトが最高9000回転毎分(RPM)回転するよう
な用途において10ミル以下の移動を決定することができなければならない。シ
ステムはまた、好ましくは9000RPM超のシャフトの回転、ならびにトルク
をとらえるために、移動可能なシャフトのねじれを測定しなければならない。シ
ステムはまた、各センサからトルク・カプラ上の表面までの絶対距離を測定する
ことができ、表面はセンサからの軸方向距離だけでなく、センサに対する複素角
度が変化することがあることを知らなければならない。絶対移動対相対移動、高
解像度シャフト変位、および移動するシャフトのねじれを非侵襲的に測定する能
力は本発明以前には達成されていない。
Therefore, there is a need for a non-invasive system that optically measures the displacement of large drive shafts or torque couplers within the limited space of engines such as aircraft. The sensor system must not block the airflow into the engine,
It must adapt to various environmental conditions such as high vibration, shock and high temperature conditions. Preferably, the sensor should also be located between 150 and 500 mils from the surface of the face of the drive shaft or coupler assembly due to space constraints. The sensor system must also be able to capture absolute measurements of shaft movement without calibration. Moreover, the measurement data obtained by the sensor system must be able to determine movements of 10 mils or less in applications where the shaft rotates up to 9000 revolutions per minute (RPM). The system must also measure the rotation of the shaft, preferably above 9000 RPM, as well as the twist of the movable shaft to capture the torque. The system should also be able to measure the absolute distance from each sensor to the surface on the torque coupler, which must know that the complex angle to the sensor may change, as well as the axial distance from the sensor. I have to. The ability to non-invasively measure absolute movement versus relative movement, high resolution shaft displacement, and twist of a moving shaft has not been achieved prior to the present invention.

【0008】 本発明に開示されているような自己較正精密絶対位置測定システムはまた、防
衛団体によって支持される。米国陸軍、海軍および空軍の長官はすべて、方針に
よって、資金供給を承認する前に、新しい調達に関する診断および予想システム
健康管理が組み込まれていなければならないことを指示している。これは、陸軍
のCrusader、海軍のAmphibious Attack Vehic
le、および共同サービスのためのJoint Strike Fighter
(JSF)を含む新しい開発プログラムにおいて強調されている。しかしながら
、本発明開示までは、その必要性と、その必要性を満足するために利用可能な技
術との間に隔たりがあった。
Self-calibrating precision absolute position measurement systems as disclosed in the present invention are also supported by defense groups. The US Army, Navy and Air Force Secretaries all dictate by policy that new procurement diagnostic and predictive system health care must be incorporated prior to approval of funding. This is the Crusader of the Army, the Amphibious Attack Vehic of the Navy.
le and the Joint Strike Fighter for collaborative services
It is highlighted in new development programs, including (JSF). However, until the present disclosure, there was a gap between that need and the techniques available to satisfy that need.

【0009】 (発明の簡単な概要) 本発明の以下の概要は、本発明に固有の革新的特徴のいくつかの理解を容易に
するために提供され、細部に行き渡った完全な説明になるものではない。本発明
の様々な態様の完全な理解は、全明細書、特許請求の範囲、図面および要約書を
全体として考えることによってのみ得られる。
BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION The following summary of the invention is provided to facilitate an understanding of some of the innovative features unique to the present invention and provides a thorough, complete description. is not. A full appreciation of the various aspects of the invention can be gained only by considering the entire specification, claims, drawings, and abstract as a whole.

【0010】 本発明は、(エンジンのシャフトなどの)移動可能な物体の位置、移動可能な
物体の曲げ、物体に加えられるトルクおよび物体の回転速度を光学的に測定する
非侵襲的精密光学距離および角度測定システムを含む。本発明は、光ファイバ・
バンドルを介して光信号を物体の表面上のターゲット・マーカ手段に送信し、タ
ーゲット・マーカ手段が感知されたときに光信号を受信する、物体の周りにそれ
に隣接して配置された複数の光センサを含む。次いで、受信された光信号を当業
者に知られている非線形推定技法によって処理して所望の情報を得る。本発明は
、(商用または軍用航空機などの)車両用エンジンのためのものであるが、例え
ば、タンク、発電装置、艦載発電プラントなどの他の用途、および移動可能な機
械を必要とする他の用途にも適用することができる。
The present invention provides a non-invasive precision optical distance that optically measures the position of a movable object (such as the shaft of an engine), the bending of the movable object, the torque applied to the object, and the rotational speed of the object. And angle measurement system. The present invention is an optical fiber
A plurality of lights disposed around the object and adjacent thereto that transmit an optical signal through the bundle to the target marker means on the surface of the object and receive the optical signal when the target marker means is sensed. Includes sensors. The received optical signal is then processed by nonlinear estimation techniques known to those skilled in the art to obtain the desired information. The present invention is for vehicular engines (such as commercial or military aircraft), but in other applications such as tanks, power plants, ship-based power plants, and other applications requiring mobile machinery. It can also be applied to applications.

【0011】 本発明の新規の特徴は、本発明のについての以下の詳細な説明を検討すれば当
業者に明らかになるか、あるいは本発明の実施によって学習できる。ただし、本
発明の精神および範囲内の様々な変更および修正は本発明および首記の特許請求
の範囲についての以下の説明から当業者に明らかになるので、本発明のいくつか
の実施形態を示す本発明の詳細な説明および提示される特定の実施例は例証目的
で提供される。
The novel features of this invention will become apparent to those skilled in the art upon reviewing the following detailed description of the invention, or can be learned by practice of the invention. However, various changes and modifications within the spirit and scope of the invention will become apparent to those skilled in the art from the following description of the invention and the appended claims, and therefore present some embodiments of the invention. The detailed description of the invention and the specific examples presented are provided for illustrative purposes.

【0012】 別々の図を通じて同じ参照番号が同じまたは機能上同様の要素を示し、明細書
に組み込まれ明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の詳細な説明とともに、
本発明の原理を説明するのに役立つ。
The accompanying drawings, in which like reference numbers indicate similar or functionally similar elements throughout the different figures, and which are incorporated in and constitute a part of the specification, together with a detailed description of the invention,
It serves to explain the principles of the invention.

【0013】 (発明の詳細な説明) 本発明は、複数のセンサ・アセンブリ手段によって、移動可能なトルク・カプ
ラまたは同様の構造上の、あらかじめ規定された表面区域に光信号を送信し、光
信号の反射率を測定し、センサおよびターゲット・モデルに関連する信号処理ソ
フトウェア手段によって、シャフトの動作特性に関する所望の情報を処理する精
密非侵襲的光学距離および角度測定システムである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention transmits optical signals to a predefined surface area of a movable torque coupler or similar structure by means of a plurality of sensor assembly means, Is a precision non-invasive optical distance and angle measurement system that measures the reflectivity of the and process desired information about the operating characteristics of the shaft by signal processing software means associated with the sensor and target model.

【0014】 図1を参照すると、本発明は、移動可能なシャフトSに係合しそれを包囲する
トルク・カプラ31に隣接する少なくとも1つの装着構造21上に配置された複
数の光センサ・アセンブリ手段111〜11nと、好ましくはトルク・カプラ31
の表面35に取り付けられるか、あるいはシャフトSの表面に直接取り付けられ
る少なくとも1つの段付きターゲット・マーカ手段33nと、通信バス43を介
して各光センサ・アセンブリ手段11nと通信する制御電子回路41と、制御電
子回路41中にロードされ格納される信号処理ソフトウェア手段51とを含む。
Referring to FIG. 1, the present invention provides a plurality of optical sensor assemblies disposed on at least one mounting structure 21 adjacent a torque coupler 31 that engages and surrounds a movable shaft S. means 11 1 to 11 n, preferably the torque coupler 31
Control electronics for communicating with each photosensor assembly means 11 n via a communication bus 43 and at least one stepped target marker means 33 n mounted on the surface 35 of the shaft or directly on the surface of the shaft S. 41 and signal processing software means 51 loaded and stored in the control electronics 41.

【0015】 図1に見られるように、各センサ・アセンブリ手段11nは、移動可能なシャ
フトSに取り付けられるトルク・カプラ31にほぼ隣接する、従来の設計の装着
構造21に取り付けられる。各センサ・アセンブリ手段11nは、好ましくは装
着構造21上に等距離に、したがって移動可能なシャフトSの周りに円周方向に
配置される。好ましい実施形態では、3つのセンサ・アセンブリ手段111、1
2、11nは図1に見られるようにシャフトSの周りに均等に配置されるが、2
つのセンサ・アセンブリ手段だけを使用しても本発明によって示される結果を達
成することができることを当業者は理解するであろう。各センサ・アセンブリ手
段111〜11nは、好ましくは移動可能なトルク・カプラ31の表面の面35か
ら0.15インチと0.4インチの間に配設される。各センサ・アセンブリ手段
111〜11nはまた、好ましくはセンサ当たり多数の光ファイバ・バンドルを有
する従来の光ファイバ同心リングタイプ・センサであり、より詳細にはトルク・
カプラ31の表面35に光信号を送信し、トルク・カプラ31が、光ファイバ3
5の上に形成されるかあるいはそれに取り付けられるターゲット・マーカ手段3
nから光信号を受信し、シャフト情報に対応する電圧を、信号処理ソフトウェ
ア手段51によって処理すべく制御電子回路41に送信する光ファイバ・センサ
である。ただし、(例えば、制限なしに、他のコヒーレント光センサ、非コヒー
レント光センサ、白熱センサ、広帯域センサ、多重波長センサまたは他の光ファ
イバ・センサなどの)他のセンサを使用することもでき、本発明の精神内に入る
ことを当業者は理解するであろう。各ターゲット・マーカ手段33nが各センサ
・アセンブリ手段111〜11nを回転式に通過する際、各センサ・アセンブリ手
段111〜11nは連続的に、したがって実時間で、送信信号がターゲット・マー
カ手段33nのいずれかから反射したときに反射される送信光信号の強度に基づ
いて移動可能な表面35から反射される光を測定する。したがって、好ましい実
施形態では、測定された表面35に対する3つの精密距離を得ることができ、し
たがって固定の基準座標系に対して測定された表面35の姿勢(したがってカプ
ラの座標面)を推定し、それによりシャフトSの座標角度変位および各センサ・
アセンブリ手段11nに対する各センサ・アセンブリ手段111からの距離の直接
測定を行うことができる。
As can be seen in FIG. 1, each sensor assembly means 11 n is mounted on a mounting structure 21 of conventional design, approximately adjacent to a torque coupler 31 mounted on the movable shaft S. Each sensor assembly means 11 n is preferably arranged equidistantly on the mounting structure 21 and thus circumferentially around the movable shaft S. In the preferred embodiment, three sensor assembly means 11 1 , 1
1 2 , 11 n are evenly arranged around the shaft S as seen in FIG.
Those skilled in the art will appreciate that the results shown by the present invention can be achieved using only one sensor assembly means. Each sensor assembly means 11 1 to 11 n is preferably disposed between the surface 35 of the surface of the moveable torque coupler 31 0.15 inches and 0.4 inches. Each sensor assembly means 11 1 to 11 n is also preferably a conventional fiber optic concentric ring-type sensor having a plurality of optical fiber bundles per sensor, torque is more
The torque coupler 31 transmits an optical signal to the surface 35 of the coupler 31 so that the optical fiber 3
Target marker means 3 formed on or attached to
A fiber optic sensor that receives the optical signal from 3 n and sends the voltage corresponding to the shaft information to the control electronics 41 for processing by the signal processing software means 51. However, other sensors (eg, without limitation, other coherent optical sensors, non-coherent optical sensors, incandescent sensors, broadband sensors, multi-wavelength sensors or other fiber optic sensors) can also be used, and Those skilled in the art will understand that they come within the spirit of the invention. As each target marker means 33 n passes each sensor assembly means 11 1 to 11 n to a rotary, each sensor assembly means 11 1 to 11 n are continuously and thus in real time, the transmission signal is the target Measuring the light reflected from the movable surface 35 based on the intensity of the transmitted light signal reflected when reflected from any of the marker means 33 n . Therefore, in the preferred embodiment, three precise distances to the measured surface 35 can be obtained, thus estimating the pose of the surface 35 (and hence the coupler's coordinate plane) relative to a fixed reference coordinate system, As a result, the coordinate angular displacement of the shaft S and each sensor
A direct measurement of the distance from each sensor assembly means 11 1 to the assembly means 11 n can be made.

【0016】 (本発明における好ましいタイプなどの)典型的な同心リング光ファイバ・セ
ンサは、光検出器(photonic detector)に結合されたセンス
・ファイバの同心リングによって覆われたイルミネータ送信ファイバの中心バン
ドルを利用する。同心リング・センサを反射表面に対してある距離だけ非侵襲的
に移動すると、図2に示されるものと同様の検出される応答曲線特性が得られる
。このタイプの応答曲線を示す市販のセンサを使用する用途では図2に示される
この応答曲線のピークのいずれかの側に近い線形部分のみを利用し、典型的な市
販の光ファイバ・センサの線形範囲は約100ミルである。しかしながら、この
曲線の線形部分の動作特性を使用するとセンサ・アセンブリ手段の動作範囲が厳
しく制限され、さらにセンサの絶対較正のための手段が得られない。本発明は反
対に、この曲線の非線形動作特性を信号処理ソフトウェア手段51によるデータ
処理のために使用する。
A typical concentric ring fiber optic sensor (such as the preferred type in the present invention) is a central bundle of illuminator transmission fibers covered by a concentric ring of sense fibers coupled to a photodetector. To use. Non-invasively moving the concentric ring sensor with respect to the reflective surface a distance results in a detected response curve characteristic similar to that shown in FIG. Applications using commercial sensors that exhibit this type of response curve utilize only the linear portion near either side of the peak of this response curve shown in Figure 2, and the linearity of a typical commercial fiber optic sensor. The range is about 100 mils. However, using the operating characteristics of the linear portion of this curve severely limits the operating range of the sensor assembly means, and further provides no means for absolute calibration of the sensor. The present invention, on the contrary, uses the non-linear behavior of this curve for data processing by the signal processing software means 51.

【0017】 図3を参照すると、図3は、本発明における好ましいタイプの同心リング光フ
ァイバ・センサの応答の三次元プロットを示す。図示のように、このタイプのセ
ンサは角度変動にかなり敏感であり、したがって所望の精度レベルを達成するた
めにそのようなセンサの特性応答への小さい角度変化の影響をモデル化しなけれ
ばならない。特性応答はまた反射表面材料によって異なる。したがって、これら
のタイプのセンサを使用するときには、各センサの三次元応答(すなわちマップ
)を最初に捕捉しモデル化することが好ましい。これは、例えば、自動高精度フ
ィクスチャ(fixture)中に各センサを配置し、自動特徴付けシステムが
距離および特徴付けターゲット・ファセットに対するセンサの2つの直交角度を
変化させた際の既知のターゲット材料からの各センサの応答を捕捉することによ
って達成することができる。次いで得られたマップされた情報を後の計算のため
に信号処理ソフトウェア手段51に格納することができる。
Referring to FIG. 3, FIG. 3 shows a three-dimensional plot of the response of the preferred type of concentric ring fiber optic sensor in the present invention. As shown, this type of sensor is quite sensitive to angular variations, so the effect of small angular changes on the characteristic response of such sensors must be modeled in order to achieve the desired level of accuracy. The characteristic response also depends on the reflective surface material. Therefore, when using these types of sensors, it is preferable to first capture and model the three-dimensional response (or map) of each sensor. This is done, for example, by placing each sensor in an automatic precision fixture, and the known target material when the automatic characterization system changes the distance and the two orthogonal angles of the sensor to the characterization target facet. Can be achieved by capturing the response of each sensor from The resulting mapped information can then be stored in the signal processing software means 51 for later calculation.

【0018】 少なくとも1つのマルチファセット(maltifaceted)・ターゲッ
ト・マーカ手段33nが従来の方法によってカプラ31の測定される表面35に
取り付けられ、表面35上に空間的によく分配され、表面35の平面の決定が可
能になり、したがってシャフトSの角度の幾何学的決定が可能になる。好ましく
は、各ターゲット・マーカ手段33nは表面35上に互いに120度離間する。
各ターゲット・マーカ手段33nは光学的に反射性であり、各センサ11nによっ
て送信された光信号を反射することができる。好ましい実施形態では、各ターゲ
ット・マーカ手段33nは、任意の中心点Cに対して所定の高さにあり、(例え
ばニッケルめっきされたアルミニウムなどの)高度に反射性の適合材料から製造
され、図4aに示される5つのファセット面371〜37nを含む。センサ・アセ
ンブリ手段11nの性能をモデル化するシミュレーションを使用して、5つのフ
ァセットが(図6に示される)再帰的センサ推定器が解に迅速に収束することを
最適に可能にすることを決定した。最初の3つのファセット371〜373は固定
の精密な変位変化を生じる。第4のファセット374はカプラ31の回転軸の固
定の精密な角度変化を生じる。第5のファセット375はカプラ31の回転に対
して直角な軸の固定の精密な角度変化を生じる。本発明のターゲット・マーカ手
段の好ましい実施形態に対して(例えば、ニッケル、アルミニウム、ステンレス
鋼、チタンおよび第1の表面ガラス・ミラーまたは第2の表面ガラス・ミラーな
どの)多数の反射性材料を代用することができ、なお本発明の精神および範囲内
に入ることを当業者なら理解するであろう。空間および時間における表面35上
の各ファセット37nの位置を追跡することによって、(表面までの距離および
表面の角度に比例する)測定される電圧と、(制御電子回路41中に格納される
)推定される距離および角度に対するセンサ応答のモデルとの間の比較を行って
、各センサ11nからのカプラ31の推定された絶対距離ならびに各センサ11n に対する各ターゲット・マーカ手段33nの角度を計算することができる。
At least one multifaceted target marker means 33 n is attached to the measured surface 35 of the coupler 31 by conventional methods and is spatially well distributed on the surface 35 and the plane of the surface 35. Can be determined, and thus the geometrical determination of the angle of the shaft S. Preferably, each target marker means 33 n is spaced 120 degrees from each other on surface 35.
Each target marker means 33 n is optically reflective and capable of reflecting the optical signal transmitted by each sensor 11 n . In a preferred embodiment, each target marker means 33 n is at a predetermined height with respect to any center point C and is made of a highly reflective conforming material (eg nickel plated aluminum), It comprises five facets 37 1 to 37 n shown in Figure 4a. Using simulations that model the performance of the sensor assembly means 11 n , five facets optimally enable the recursive sensor estimator (shown in FIG. 6) to quickly converge to the solution. Were determined. The first three facets 37 1-37 3 results in precise displacement change fixed. The fourth facet 37 4 produces a fixed and precise angular change of the rotational axis of the coupler 31. The fifth facet 37 5 produces a fixed fine angular change of the axis perpendicular to the rotation of the coupler 31. A number of reflective materials (eg, nickel, aluminum, stainless steel, titanium and first surface glass mirrors or second surface glass mirrors) are used for the preferred embodiment of the target marker means of the present invention. Those skilled in the art will appreciate that substitutions are possible and still fall within the spirit and scope of the invention. By tracking the position of each facet 37 n on the surface 35 in space and time, the measured voltage (proportional to the distance to the surface and the angle of the surface) and (stored in the control electronics 41). performing a comparison between the model of the sensor response to distance and angle is estimated, the estimated absolute distance and angle of each target marker means 33 n for each sensor 11 n coupler 31 from the sensors 11 n Can be calculated.

【0019】 次いで各センサ・アセンブリ手段11nからの捕捉された信号反射率に対応す
る情報を、制御電子回路41によって(例えば光ファイバ・データ・バスやバン
ドルなどの)通信バス43を介して信号処理ソフトウェア手段51に通信する。
信号処理ソフトウェア手段51は、移動可能なシャフトSがいずれかの平面内で
450ミルにわたって10ミル以内および2.5度にわたって0.1度以内まで
移動しているかどうかを判定するために従来の手段によってプログラムされる。
同様に、信号処理ソフトウェア手段51は最高9000RPMでシャフトSの回
転速度をモニタリングする。
Information corresponding to the captured signal reflectance from each sensor assembly means 11 n is then signaled by the control electronics 41 via a communication bus 43 (eg, a fiber optic data bus or bundle). Communicate to the processing software means 51.
Signal processing software means 51 conventional means for determining whether movable shaft S is moving within 450 mils within 10 mils and 2.5 degrees within 0.1 degrees in either plane. Programmed by
Similarly, the signal processing software means 51 monitors the rotational speed of the shaft S at up to 9000 RPM.

【0020】 図5に示される本発明の好ましい実施形態では、信号処理ソフトウェア手段5
1はターゲット識別およびRPM推定器61、使用される各センサ・アセンブリ
手段11nに対応する複数のセンサ推定器63n、およびトーション・カプラ平面
推定器65を含む。
In the preferred embodiment of the invention shown in FIG. 5, the signal processing software means 5
1 includes a target identification and RPM estimator 61, a plurality of sensor estimators 63 n corresponding to each sensor assembly means 11 n used, and a torsion coupler plane estimator 65.

【0021】 動作に際して、各センサ・アセンブリ手段11nは、カプラ31が回転した際
にカプラ31のリムからの反射から得られる連続信号を発生する。本発明の好ま
しい実施形態では、カプラ31のリム上の各ターゲット・マーカ手段33n間の
空間(または領域)は典型的には非反射性材料で減光される。したがって、各タ
ーゲット・マーカ手段33nは、各センサを回転式に通過する際にはるかに大き
い戻り(または反射)信号を有する。反射性材料(図示せず)の小さいストライ
プはオプションとして、カプラのリム上に基準マーク(fiducial ma
rk)を与えるためにカプラのリム上の所定の位置に配置される。ストライプは
カプラの回転角を決定するための基準点を与える。ストライプが各センサ・アセ
ンブリ手段11nによって感知されたとき、それはセンサ・アセンブリ手段11n によって感知される次のターゲット・マーカ手段33nがターゲット・マーカ手
段331になるという指示である。この後ターゲット・マーカ手段332、333
から33nまでが続く。ターゲット識別およびRPM推定器61は基準マーカを
計算的に位置特定し、各ターゲット・マーカ手段を位置特定し、各ターゲット・
マーカ手段の各々の各ファセットを位置特定し、各ターゲット・マーカ手段33 n の各ファセット37nのセンサ応答を得て、このデータをセンサ推定器63n
送信し、各センサ・アセンブリ手段11nのサンプリング・レートを使用して、
回転ごとの基準マーカの通過に対応する情報によってシャフトの回転速度を決定
する。
[0021]   In operation, each sensor assembly means 11nWhen the coupler 31 rotates
To generate a continuous signal resulting from the reflection from the rim of the coupler 31. Preferred of the present invention
In a preferred embodiment, each target marker means 33 on the rim of the coupler 31 isnAmong
The space (or region) is typically dimmed with a non-reflective material. Therefore, each
Target marker means 33nIs much larger as it passes rotationally through each sensor.
It has a return (or reflected) signal. Small strike of reflective material (not shown)
Option is a fiducial mark on the rim of the coupler.
It is placed in position on the rim of the coupler to give rk). Stripes
It provides a reference point for determining the rotation angle of the coupler. The stripe is for each sensor
Assembly means 11nWhen sensed by the sensor assembly means 11n Next target marker means 33 sensed bynIs the target marker hand
Step 331It is an instruction to become. After this, the target marker means 332, 333
From 33nContinues. The target identification and RPM estimator 61 uses fiducial markers
Locating each target marker means computationally
Each facet of each of the marker means is located and each target marker means 33 is located. n Each facet 37nSensor response of the sensor estimator 63nTo
Each sensor assembly means 11 for transmittingnUsing a sampling rate of
The rotation speed of the shaft is determined by the information corresponding to the passage of the reference marker for each rotation.
To do.

【0022】 次に図6を参照すると、各センサ推定器63nは、使用される各センサ・アセ
ンブリ手段11nに相関し、ターゲット・マーカ手段33nの各々の5つのファセ
ット371〜375からの電圧に基づいて距離および2つの直交角度推定値を計算
的に発生する。さらに、本発明において使用される光学系および電子回路の全体
的利得の変動に適応するために、減衰パラメータも各センサ推定器63nにおい
て利用される。使用される各センサの特性応答のモデル(例えば、それらが事前
に規定されたターゲット・マーカ手段33nにどのように応答するか)が、これ
らのパラメータを再帰的に推定するために必要であり、信号処理ソフトウェア手
段51内に格納される。そのようなモデルは、使用される各センサ・アセンブリ
手段11nのオフライン特徴付けの知られている方法によって導出される。
[0022] Referring now to FIG. 6, each sensor estimator 63 n correlates to each sensor assembly means 11 n used, the target marker means 33 n each of the five facets 37 1-37 5 Computationally generate a distance and two orthogonal angle estimates based on the voltage from In addition, the attenuation parameter is also utilized in each sensor estimator 63 n to accommodate variations in the overall gain of the optics and electronics used in the present invention. A model of the characteristic response of each sensor used (eg how they respond to the pre-defined target marker means 33 n ) is needed to recursively estimate these parameters. , Stored in the signal processing software means 51. Such a model is derived by the known method of off-line characterization of each sensor assembly means 11 n used.

【0023】 図6に示されるように、各センサ推定器63nは、各ファセット37nから反射
される光に応答して得られる各センサ・アセンブリ手段11nからの電圧応答を
、(センサおよびターゲットのモデルから前に導出された)推定される電圧測定
値と比較する。(前に導出された)利得マトリックスはノイズ、ターゲットおよ
びセンサの特性を最小限に引き受けなければならない。結果は状態の以前の推定
値に適用され、新しい推定値が生じる。距離、角度および減衰のこの新しい推定
値は非線形センサ・モデルに適用され、その後ターゲット・モデルに適用され、
次の測定推定値が発生する。
As shown in FIG. 6, each sensor estimator 63 n represents the voltage response from each sensor assembly means 11 n (sensor and sensor) obtained in response to light reflected from each facet 37 n. Compare with estimated voltage measurements (previously derived from the target model). The gain matrix (previously derived) must assume the noise, target and sensor characteristics to a minimum. The result is applied to the previous estimate of the state, resulting in a new estimate. This new estimate of distance, angle and damping is applied to the non-linear sensor model and then to the target model,
The following measurement estimates occur.

【0024】 トーション・カプラ平面推定器65はセンサ推定器63nから3つの精密距離
をとり、これらの距離を使用して、センサ推定器のものと形態が類似している再
帰的カマン(Kaman)推定器を介してカプラ31の平面の姿勢を決定する。
この方法を行うためのいくつかの方法があるが、再帰的カマン推定器はカプラ平
面の読みを連続的に発生することができるので好ましいことを当業者なら気付く
であろう。好ましい実施形態では、信号処理ソフトウェア手段は、当業者に知ら
れている方法によってMatLabおよびMathmaticaにおいて所望の
情報を得るようにプログラムされる。これらのソフトウェア・プログラミング言
語はプロトタイプ便宜のために使用されたが、(例えば、事前プログラムされた
ASICSなどのハードウェア手段やマイクロコントローラにソフトウェアを埋
め込むなどの)他の方法が使用できることを当業者なら理解するであろう。各タ
ーゲット・マーカ手段33nは移動可能なカプラに結合されているので、本発明
の非侵襲的光学距離および角度測定システムでは移動可能なシャフトSの精密な
姿勢、速度およびトルクを計算するために測定値の収集を回転ごとに複数回行う
ことができる。次に当業者なら理解するように、測定された表面または平面が真
に平坦ではない用途では複数の測定値を得ることが特に有用であり、複数の測定
値は不均一な表面を理想化されたカプラ表面にマッピングするのを助けることが
ある。
The torsion coupler plane estimator 65 takes three precise distances from the sensor estimator 63n and uses these distances to make a recursive Kaman estimate similar in shape to that of the sensor estimator. The orientation of the plane of the coupler 31 is determined through the instrument.
One of ordinary skill in the art will recognize that there are several ways to do this, but the recursive Kaman estimator is preferred because it can continuously generate coupler plane readings. In a preferred embodiment, the signal processing software means are programmed to obtain the desired information in MatLab and Mathmatica by methods known to those skilled in the art. Although these software programming languages have been used for prototype convenience, one skilled in the art will appreciate that other methods (eg, hardware means such as pre-programmed ASICS or embedding software in a microcontroller) can be used. You will understand. Since each target marker means 33n is coupled to a moveable coupler, the non-invasive optical distance and angle measuring system of the present invention measures to measure the precise attitude, velocity and torque of the moveable shaft S. The values can be collected multiple times per revolution. As will be appreciated by one of ordinary skill in the art, it is especially useful to have multiple measurements in applications where the measured surface or plane is not truly flat, and multiple measurements are idealized for non-uniform surfaces. May help to map the coupler surface.

【0025】 さらに、信号処理ソフトウェア手段51は、反射される光信号からの情報を使
用して、ターゲット・マーカ手段33nから戻される光によるシャフトSの絶対
変位およびシャフトSの角度変位の非線形推定によって、周囲の環境の状態にか
かわらず、シャフト特性を自動的に決定するようにプログラムされる。例えば、
反射される光の強度の勾配は、空気品質、湿度温度、(ほこり粒子を含む)予期
しない障害物、ターゲットの表面の反射品質、光源の強度および動作特性、およ
びターゲットへの入射角などの多数のファクタによって影響される。したがって
、本発明の好ましい実施形態では、信号処理ソフトウェア手段51はさらに光学
経路の変動、感知電子回路またはファイバ・バンドルの変動に適応するために適
応利得を与えるための信号処理手段を含む。
Further, the signal processing software means 51 uses information from the reflected optical signal to non-linearly estimate the absolute displacement of the shaft S and the angular displacement of the shaft S by the light returned from the target marker means 33n. , Is programmed to automatically determine shaft characteristics regardless of the conditions of the surrounding environment. For example,
The gradient of the reflected light intensity can be many, such as air quality, humidity temperature, unexpected obstacles (including dust particles), target surface reflection quality, light source intensity and operating characteristics, and angle of incidence on the target. Influenced by the factor of. Therefore, in the preferred embodiment of the present invention, the signal processing software means 51 further comprises signal processing means for providing adaptive gain to accommodate variations in the optical path, variations in the sensing electronics or fiber bundle.

【0026】 本発明の他の変更および修正は当業者に明らかであり、首記の特許請求の範囲
の意図はそのような変更および修正を包含することである。上記で論じた特定の
値および構成は変更することができ、本発明の特定の実施形態を説明するために
記載したものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の使用法は
、非侵襲的精密光学距離および角度測定システムの原理、提示に従う限り、異な
る特性を有する構成要素を含むことができることが企図される。
Other variations and modifications of the invention will be apparent to those skilled in the art, and the intent of the appended claims is to cover such variations and modifications. The particular values and configurations discussed above can be varied and are included to describe the particular embodiments of the invention and are not intended to limit the scope of the invention. It is contemplated that the use of the present invention may include components having different properties, so long as the principles of the non-invasive precision optical distance and angle measurement system, the presentation, are followed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 トルク・カプラに取り付けられた移動可能なシャフトを部分的に包囲する装着
構造に取り付けられた本発明の一実施形態の側面透視図である。
FIG. 1 is a side perspective view of one embodiment of the present invention mounted in a mounting structure that partially encloses a moveable shaft mounted in a torque coupler.

【図2】 市販の光ファイバ同心リングタイプ・センサからの応答曲線を図式的に示す図
である。
FIG. 2 is a diagrammatic representation of a response curve from a commercially available fiber optic concentric ring type sensor.

【図3】 同心リング光ファイバ・センサの応答の三次元プロットである。これは距離お
よび角度の変動に対するセンサの感度を示し、これらの変動に対するセンサの非
線形特性を示す。
FIG. 3 is a three-dimensional plot of the response of a concentric ring fiber optic sensor. It shows the sensitivity of the sensor to variations in distance and angle and shows the non-linear characteristics of the sensor to these variations.

【図4】 図4aは、トルク・カプラが移動したときにセンサ・アセンブリ手段の前を通
過して処理のための信号を供給するマルチファセット・ターゲット・マーカが取
り付けられたトルク・カプラの端部図である。 図4bは、図4aに示されるマルチファセット・ターゲット・マーカを示す図
である。
FIG. 4a is an end of a torque coupler fitted with a multi-faceted target marker that passes in front of the sensor assembly means to provide a signal for processing when the torque coupler moves. It is a figure. FIG. 4b is a diagram showing the multi-facet target marker shown in FIG. 4a.

【図5】 各ターゲット・マーカが各センサ・アセンブリ手段を通過する際にセンサ・ア
センブリ手段によって感知される電圧からのカプラ姿勢情報を導出するために必
要とされる信号処理機能のブロック図である。
FIG. 5 is a block diagram of the signal processing functions required to derive coupler attitude information from the voltage sensed by the sensor assembly means as each target marker passes through each sensor assembly means. .

【図6】 図5に示される好ましいセンサ推定器を示す系統図である。[Figure 6]   FIG. 6 is a system diagram showing the preferred sensor estimator shown in FIG. 5.

【図7】 図5に示される好ましいトーション・カプラ平面推定器を示す系統図である。[Figure 7]   FIG. 6 is a system diagram showing the preferred torsion coupler plane estimator shown in FIG. 5.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE, GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,J P,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR ,LS,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK, MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,R O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ, VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 ブレヴィンズ,ウィリアム・マーク アメリカ合衆国ニューメキシコ州87110, アルバカーキ,マウンテン・ロード・ノー スイースト 5312 (72)発明者 カブラー,ジョン・ラッセル アメリカ合衆国ニューメキシコ州87109, アルバカーキ,フリーダ・ストリート・ノ ースイースト 7405 (72)発明者 レイクス,ロニー・ウェイン アメリカ合衆国ニューメキシコ州87124, リオ・ランチョ,ウエスト・アイランド・ ループ 2872 (72)発明者 シェス,ジェフリー・ノーマン アメリカ合衆国ミネソタ州55313,バッフ ァロー,フィフティース・ストリート・ノ ースイースト 3421 Fターム(参考) 2F065 AA01 AA06 AA09 AA14 AA20 AA35 AA39 BB03 BB06 BB16 BB18 BB25 BB27 CC11 DD03 DD11 DD16 FF23 FF41 FF61 FF65 HH13 JJ01 JJ05 JJ09 JJ15 LL02 LL12 PP13 QQ03 QQ25 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE, TR), OA (BF , BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, G M, KE, LS, MW, MZ, SD, SL, SZ, TZ , UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, B Z, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK , DM, DZ, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, J P, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR , LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, PL, PT, R O, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ , TM, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Brevins, William Mark             New Mexico State 87110,             Albuquerque, Mountain Road No             Seast 5312 (72) Inventor Cobbler, John Russell             New Mexico 87109,             Albuquerque, Frida Street No             Seast 7405 (72) Inventor Lakes, Ronnie Wayne             New Mexico State 87124,             Rio Rancho, West Island             Loop 2872 (72) Inventor Shess, Jeffrey Norman             Buff, Minnesota 55313, United States             Arrow, Fifties Street No             Seast 3421 F term (reference) 2F065 AA01 AA06 AA09 AA14 AA20                       AA35 AA39 BB03 BB06 BB16                       BB18 BB25 BB27 CC11 DD03                       DD11 DD16 FF23 FF41 FF61                       FF65 HH13 JJ01 JJ05 JJ09                       JJ15 LL02 LL12 PP13 QQ03                       QQ25

Claims (29)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 エンジン中のシャフト・アセンブリのための光学距離および
角度測定システムであって、シャフト・アセンブリが、回転可能なトルク・カプ
ラに結合された移動可能なシャフトを含み、前記システムは、 エンジンの一部分に固定され、移動可能なシャフトを包囲し、トルク・カプラ
に隣接する装着構造と、 装着構造上に配設され、トルク・カプラの表面部分に近接する複数の光センサ
・アセンブリ手段と、 表面部分に結合された少なくとも1つのターゲット・マーカ手段と、 通信バスによって各光センサ・アセンブリ手段と通信する制御電子回路と、 制御電子回路中にロードされ格納される信号処理ソフトウェア手段と、を備え
ており、 各光センサ・アセンブリ手段が、表面部分に光信号を送信し、各ターゲット・
マーカ手段が各光センサ・アセンブリを通過する際に各ターゲット・マーカ手段
から反射される光信号を受信し、シャフトの特性に対応する情報を信号処理ソフ
トウェア手段によって処理すべく制御電子回路に送信するようになされている、
光学距離および角度測定システム。
1. An optical distance and angle measurement system for a shaft assembly in an engine, the shaft assembly including a moveable shaft coupled to a rotatable torque coupler, the system comprising: A mounting structure secured to a portion of the engine, surrounding a moveable shaft, adjacent to the torque coupler, and a plurality of optical sensor assembly means disposed on the mounting structure and proximate a surface portion of the torque coupler. At least one target marker means coupled to the surface portion, control electronics in communication with each photosensor assembly means by a communication bus, and signal processing software means loaded and stored in the control electronics. And each optical sensor assembly means transmits an optical signal to the surface portion and
The optical signal reflected from each target marker means as the marker means passes through each photosensor assembly is received and information corresponding to shaft characteristics is sent to the control electronics for processing by the signal processing software means. Is done,
Optical distance and angle measurement system.
【請求項2】 各センサ・アセンブリ手段が、ほぼ表面部分から0.15イ
ンチと0.4インチの間に配置される、請求項1に記載の光学距離および角度測
定システム。
2. The optical distance and angle measurement system of claim 1, wherein each sensor assembly means is located generally between 0.15 and 0.4 inches from the surface portion.
【請求項3】 各センサ・アセンブリ手段が、隣接するセンサ・アセンブリ
手段から等距離に構造上に配設される、請求項2に記載の光学距離および角度測
定システム。
3. The optical distance and angle measurement system of claim 2, wherein each sensor assembly means is structurally disposed equidistant from an adjacent sensor assembly means.
【請求項4】 各センサ・アセンブリ手段が、光ファイバ同心リングタイプ
・センサ、白熱センサ、コヒーレント光センサ、非コヒーレント光センサまたは
多重波長センサからなるグループから選択されるセンサである、請求項3に記載
の光学距離および角度測定システム。
4. The sensor assembly means according to claim 3, wherein each sensor assembly means is a sensor selected from the group consisting of a fiber optic concentric ring type sensor, an incandescent sensor, a coherent light sensor, a non-coherent light sensor or a multi-wavelength sensor. The described optical distance and angle measuring system.
【請求項5】 3つのセンサ・アセンブリ手段が装着構造上に配設される、
請求項4に記載の光学距離および角度測定システム。
5. Three sensor assembly means are disposed on the mounting structure.
An optical distance and angle measurement system according to claim 4.
【請求項6】 各ターゲット・マーカ手段が表面部分上に空間的によく分配
される、請求項5に記載の光学距離および角度測定システム。
6. The optical distance and angle measurement system of claim 5, wherein each target marker means is spatially well distributed over the surface portion.
【請求項7】 各ターゲット・マーカ手段がさらに複数のファセット面を含
む、請求項6に記載の光学距離および角度測定システム。
7. The optical distance and angle measurement system of claim 6, wherein each target marker means further comprises a plurality of facet surfaces.
【請求項8】 信号処理ソフトウェア手段がさらに、ターゲット識別および
RPM推定器、各センサ・アセンブリ手段に対応する複数のセンサ推定器、およ
びトーション・カプラ平面推定器を含み、ターゲット識別およびRPM推定器が
、各ターゲット・マーカ手段を計算的に位置特定し、反射応答を得るために各タ
ーゲット・マーカ手段の各ファセットを計算的に位置特定し、カプラの回転速度
を決定し、各センサ推定器が各光センサ・アセンブリの電圧応答からカプラまで
の距離および少なくとも2つの直交角度推定値を計算的に発生し、トーション・
カプラ平面推定器がカプラの姿勢を決定するために距離を計算的に得るようにな
されている、請求項7に記載の光学距離および角度測定システム。
8. The signal processing software means further comprises a target identification and RPM estimator, a plurality of sensor estimators corresponding to each sensor assembly means, and a torsion coupler plane estimator, the target identification and RPM estimator being , Each target marker means is computationally located, each facet of each target marker means is computationally located to obtain a reflected response, the rotational speed of the coupler is determined, and each sensor estimator determines each Computationally generates a distance from the voltage response of the optical sensor assembly to the coupler and at least two orthogonal angle estimates,
An optical distance and angle measurement system according to claim 7, wherein the coupler plane estimator is adapted to obtain the distance computationally to determine the pose of the coupler.
【請求項9】 各ターゲット・マーカ手段がさらに、第1のファセット、第
2のファセット、第3のファセット、第4のファセットおよび第5のファセット
を含み、第1のファセット、第2のファセットおよび第3のファセットから反射
される光信号がシャフトの角度変位に対応し、第4のファセットから反射される
光信号がカプラの移動の軸の角度変化に対応し、第5のファセットから反射され
る光信号がカプラの移動に対して直角なカプラの軸の角度変化に対応する、請求
項8に記載の光学距離および角度測定システム。
9. Each target marker means further comprises a first facet, a second facet, a third facet, a fourth facet and a fifth facet, the first facet, the second facet and The optical signal reflected from the third facet corresponds to the angular displacement of the shaft and the optical signal reflected from the fourth facet corresponds to the angular change of the axis of movement of the coupler and reflected from the fifth facet. 9. The optical distance and angle measurement system of claim 8, wherein the optical signal corresponds to an angular change of the coupler axis perpendicular to the movement of the coupler.
【請求項10】 各ターゲット・マーカ手段が、ニッケルめっきされたアル
ミニウム、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタンからなるグルー
プから選択される材料から形成される、請求項9に記載の光学距離および角度測
定システム。
10. The optical distance and angle measurement of claim 9 wherein each target marker means is formed from a material selected from the group consisting of nickel plated aluminum, nickel, aluminum, stainless steel or titanium. system.
【請求項11】 各ターゲット・マーカ手段が、第1の表面ガラス・ミラー
または第2の表面ガラス・ミラーからなるグループから選択される材料から形成
される、請求項10に記載の光学距離および角度測定システム。
11. The optical distance and angle of claim 10, wherein each target marker means is formed from a material selected from the group consisting of a first surface glass mirror or a second surface glass mirror. Measuring system.
【請求項12】 移動可能なシャフト・アセンブリのための非接触距離およ
び角度測定手段であって、シャフト・アセンブリがトルク・カプラを含み、シス
テムは、 トルク・カプラを包囲し、トルク・カプラに隣接する構造と、 構造上に配設され、トルク・カプラに近接する少なくとも2つの感知光ファイ
バ手段と、 トルク・カプラの表面に結合された少なくとも1つのマーキング手段と、 バスによる感知のための各光ファイバ手段と通信する電子制御手段と、 電子に制御するための手段中にロードされ格納されるソフトウェア信号処理手
段と、 を備えており、 各光センサ・アセンブリ手段が 表面部分に光信号を送信し、各感知手段が表面部分に光信号を送信し、各マー
キング手段が各光センサ・アセンブリを通過する際に各マーキング手段から反射
される光信号を受信し、シャフトの特性に相関するデータをソフトウェア信号処
理手段によって処理すべく電子制御手段に送信するようになされている、非接触
距離および角度測定手段。
12. A non-contact distance and angle measuring means for a moveable shaft assembly, the shaft assembly including a torque coupler, the system enclosing the torque coupler and adjoining the torque coupler. Structure, at least two sensing optical fiber means disposed on the structure and proximate to the torque coupler, at least one marking means coupled to the surface of the torque coupler, and each light for sensing by the bus. An electronic control means in communication with the fiber means and a software signal processing means loaded and stored in the electronic control means are provided, each optical sensor assembly means transmitting an optical signal to the surface portion. , Each marking means sends an optical signal to the surface portion and each marking means as each marking means passes through each optical sensor assembly. Receiving optical signals reflected from the stage, is adapted to transmit the data to be correlated to the characteristics of the shaft to the electronic control unit to process by software signal processing means, a non-contact distance and angle measuring means.
【請求項13】 各感知手段が、隣接するセンサ・アセンブリ手段から等距
離に構造上に配設される、請求項12に記載の光学距離および角度測定システム
13. The optical distance and angle measuring system of claim 12, wherein each sensing means is structurally disposed equidistant from an adjacent sensor assembly means.
【請求項14】 各感知手段がほぼ表面部分から0.15インチと0.4イ
ンチの間に配置される、請求項13に記載の光学距離および角度測定システム。
14. The optical distance and angle measurement system of claim 13, wherein each sensing means is located between approximately 0.15 and 0.4 inches from the surface portion.
【請求項15】 各感知手段が、光ファイバ同心リングタイプ・センサ、白
熱センサ、コヒーレント光センサ、非コヒーレント光センサまたは多重波長セン
サからなるグループから選択されるセンサである、請求項14に記載の光学距離
および角度測定システム。
15. The sensor according to claim 14, wherein each sensing means is a sensor selected from the group consisting of a fiber optic concentric ring type sensor, an incandescent sensor, a coherent light sensor, a non-coherent light sensor or a multi-wavelength sensor. Optical distance and angle measurement system.
【請求項16】 各感知手段が、装着構造上に等距離に配設される、請求項
15に記載の光学距離および角度測定システム。
16. The optical distance and angle measurement system of claim 15, wherein each sensing means is equidistantly disposed on the mounting structure.
【請求項17】 各マーキング手段が、表面部分上に等距離に分配される、
請求項16に記載の光学距離および角度測定システム。
17. Each marking means is equidistantly distributed on the surface portion,
An optical distance and angle measurement system according to claim 16.
【請求項18】 各マーキング手段がさらに複数のファセット面を含む、請
求項17に記載の光学距離および角度測定システム。
18. The optical distance and angle measurement system according to claim 17, wherein each marking means further comprises a plurality of facet surfaces.
【請求項19】 ソフトウェア信号処理手段がさらに、ターゲット識別およ
びRPM推定器、各感知手段に対応する複数のセンサ推定器、およびトーション
・カプラ平面推定器を含み、ターゲット識別およびRPM推定器が各マーキング
手段を計算的に位置特定し、応答を得るために各マーキング手段の各ファセット
を計算的に位置特定し、トルク・カプラの回転速度を決定し、各センサ推定器が
各感知手段の電圧応答からトルク・カプラまでの距離および少なくとも2つの直
交角度推定値を計算的に発生し、トーション・カプラ平面推定器がカプラの姿勢
を決定するようになされている、請求項18に記載の光学距離および角度測定シ
ステム。
19. The software signal processing means further includes a target identification and RPM estimator, a plurality of sensor estimators corresponding to each sensing means, and a torsion coupler plane estimator, wherein the target identification and RPM estimator each mark. Computationally locating the means and computationally locating each facet of each marking means to obtain a response, determining the rotational speed of the torque coupler, each sensor estimator from the voltage response of each sensing means 20. The optical distance and angle of claim 18, wherein the distance to the torque coupler and at least two orthogonal angle estimates are computationally generated such that the torsion coupler plane estimator determines the coupler attitude. Measuring system.
【請求項20】 各マーキング手段がさらに、第1のファセット、第2のフ
ァセット、第3のファセット、第4のファセットおよび第5のファセットを含み
、第1のファセット、第2のファセットおよび第3のファセットから反射される
光信号がシャフトの角度変位に対応し、第4のファセットから反射される光信号
がカプラの回転の軸の角度変化に対応し、第5のファセットから反射される光信
号がカプラの移動に対して直角なカプラの軸の角度変化に対応し、シャフトの角
度変位、カプラの移動の軸の角度変化、およびカプラの移動に対して直角なカプ
ラの軸の角度変化がシャフトの特性である、請求項19に記載の光学距離および
角度測定システム。
20. Each marking means further comprises a first facet, a second facet, a third facet, a fourth facet and a fifth facet, the first facet, the second facet and the third facet. The optical signal reflected from the facet of the shaft corresponds to the angular displacement of the shaft, the optical signal reflected from the fourth facet corresponds to the angular change of the axis of rotation of the coupler, and the optical signal reflected from the fifth facet. Corresponds to the angular change of the axis of the coupler perpendicular to the movement of the coupler, the angular displacement of the shaft, the angular change of the axis of movement of the coupler, and the angular change of the axis of the coupler perpendicular to the movement of the coupler 20. The optical distance and angle measurement system of claim 19, which is characteristic of
【請求項21】 各マーキング手段が、ニッケルめっきされたアルミニウム
、ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタンからなるグループから選
択される材料から形成される、請求項20に記載の光学距離および角度測定シス
テム。
21. The optical distance and angle measurement system of claim 20, wherein each marking means is formed from a material selected from the group consisting of nickel plated aluminum, nickel, aluminum, stainless steel or titanium.
【請求項22】 各マーキング手段が、第1の表面ガラス・ミラーまたは第
2の表面ガラス・ミラーからなるグループから選択される材料から形成される、
請求項21に記載の光学距離および角度測定システム。
22. Each marking means is formed from a material selected from the group consisting of a first surface glass mirror or a second surface glass mirror.
An optical distance and angle measurement system according to claim 21.
【請求項23】 シャフト・アセンブリのための距離および角度を測定する
ための方法であって、 シャフト・アセンブリを包囲し、シャフト・アセンブリに隣接して配設された
構造をシャフト・アセンブリに装着するステップと、 少なくとも1つの光センサ・アセンブリ手段を装着構造上に配置するステップ
と、 少なくとも1つのターゲット・マーカ手段をシャフト・アセンブリの表面部分
に結合するステップと、 制御電子回路を使用して、通信バスによって各光センサ・アセンブリ手段と通
信するステップであって、各光センサ・アセンブリ手段が表面部分に光信号を送
信し、各ターゲット・マーカ手段が各光センサ・アセンブリを通過する際に各タ
ーゲット・マーカ手段から反射される光信号を受信し、シャフトの特性に対応す
る情報を発生し、情報を制御電子回路に送信するステップと、 制御電子回路にロードされ格納される信号処理ソフトウェア手段に、処理すべ
き制御電子回路からの情報を受け取らせるステップと、を含む方法。
23. A method for measuring distance and angle for a shaft assembly, the structure surrounding the shaft assembly and mounting a structure disposed adjacent to the shaft assembly on the shaft assembly. Communicating at least one optical sensor assembly means on the mounting structure; coupling at least one target marker means to a surface portion of the shaft assembly; and using control electronics to communicate Communicating with each photosensor assembly means by a bus, each photosensor assembly means transmitting an optical signal to a surface portion and each target marker means as each target passes through each photosensor assembly. .Information corresponding to the characteristics of the shaft that receives the optical signal reflected from the marker means Method comprising the steps of transmitting generated, the information to the control electronics, the signal processing software means to be stored is loaded into the control electronics, the method comprising: receive information from the control electronics to be treated, the.
【請求項24】 各センサ・アセンブリ手段がほぼ表面部分から0.15イ
ンチと0.4インチの間に配置される、請求項23に記載の方法。
24. The method of claim 23, wherein each sensor assembly means is located between approximately 0.15 inches and 0.4 inches from the surface portion.
【請求項25】 各ターゲット・マーカ手段が表面部分上に空間的によく分
配される、請求項24に記載の方法。
25. The method of claim 24, wherein each target marker means is spatially well distributed over the surface portion.
【請求項26】 シャフトの特性に対応する情報を発生するステップがさら
に、シャフト・アセンブリのシャフトの角度変位に対応する情報を発生するステ
ップ、シャフト・アセンブリの移動の軸の角度変化に対応する情報を発生するス
テップ、およびシャフトの回転に対して直角なシャフトの軸の角度変化に対応す
る情報を発生するステップを含む、請求項25に記載の方法。
26. The step of generating information corresponding to characteristics of the shaft further comprises the step of generating information corresponding to angular displacement of the shaft of the shaft assembly, the information corresponding to angular change of the axis of movement of the shaft assembly. 26. The method of claim 25, including the step of: generating information corresponding to an angular change in the axis of the shaft perpendicular to the rotation of the shaft.
【請求項27】 移動可能なシャフトを有するシャフト・アセンブリのため
の距離および角度測定システムであって、 シャフト・アセンブリに装着され、シャフトを包囲し、シャフトに隣接して配
設された構造と、 装着構造に結合され、各々が隣接するセンサ手段から等距離に構造上に配設さ
れた、少なくとも1つの光ファイバ・センサ手段と、 シャフトの表面部分に結合された少なくとも1つの反射手段と、 通信バスによって各センサ手段と通信する制御電子手段であって、各センサ手
段が表面部分に信号を送信し、光反射手段が各センサ手段を通過する際に各反射
手段から反射される少なくとも1つの信号を受信し、シャフトの特性に対応する
情報を発生し、情報を制御電子回路に送信する、制御電子手段と、 制御電子回路にロードされ格納され、処理すべき制御電子手段からの情報を受
け取るソフトウェア手段とを含むシステム。
27. A distance and angle measurement system for a shaft assembly having a moveable shaft, the structure mounted on the shaft assembly, surrounding the shaft, and disposed adjacent to the shaft. At least one fiber optic sensor means coupled to the mounting structure, each disposed on the structure equidistant from adjacent sensor means, and at least one reflective means coupled to a surface portion of the shaft; Control electronic means for communicating with each sensor means by bus, each sensor means transmitting a signal to a surface portion and at least one signal reflected from each reflecting means as the light reflecting means passes each sensor means. The control electronics, which receives and generates information corresponding to the characteristics of the shaft and sends the information to the control electronics. Stored, a system and a software means for receiving information from the control electronic means to be processed.
【請求項28】 各センサ手段がほぼ表面部分から0.15インチと0.4
インチの間に配置され、各ターゲット・マーカ手段が表面部分上に空間的によく
分配される、請求項25に記載のシステム。
28. Each sensor means is 0.15 inches and 0.4 approximately from the surface.
27. The system of claim 25, wherein the target marker means are spatially well distributed over the surface portion disposed between inches.
【請求項29】 情報が、シャフト・アセンブリのシャフトの角度変位、シ
ャフトの変位の軸の角度変化、およびシャフトの変位に対して直角なシャフトの
軸の角度変化に対応する、請求項26に記載のシステム。
29. The information according to claim 26, wherein the information corresponds to angular displacement of the shaft of the shaft assembly, angular variation of the axis of displacement of the shaft, and angular variation of the axis of the shaft perpendicular to the displacement of the shaft. System.
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